半导体器件物理(第五章)施敏第二版课件.ppt

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1、第5章 双极型晶体管及相关器件,5.1 晶体管的工作原理5.2 双极型晶体管的静态特性5.3 双极型晶体管的频率响应与开关特性5.4 异质结双极型晶体管5.5 可控硅器件及相关功率器件,第5章 双极型晶体管及相关器件5.1 晶体管的工作原理,相关主题,双极型晶体管的电流增益工作模式双极型晶体管的截止频率与开关时间异质结晶体管的优点可控硅器件与相关双极型器件的功率处理能力,相关主题双极型晶体管的电流增益工作模式,5.1 晶体管的工作原理,晶体管概念：是一种多重结的半导体器件,三段不同掺杂浓度的区域，形成两个p-n结，浓度最高的p+区称为发射区，中间较窄的n区域，称为基区，浓度最小的p型区域称为集

2、电区。,5.1 晶体管的工作原理晶体管概念：是一种多重结的半导体器件,晶体管的发明,理论推动19世纪末20世纪初发现半导体的三个重要物理效应光电导效应光生伏特效应整流效应量子力学材料科学需求牵引：二战期间雷达等武器的需求,晶体管的发明理论推动,晶体管的发明,1946年1月，Bell实验室正式成立半导体研究小组, W. Schokley，J. Bardeen、W. H. BrattainBardeen提出了表面态理论， Schokley给出了实现放大器的基本设想，Brattain设计了实验1947年12月23日，第一次观测到了具有放大作用的晶体管,晶体管的发明1946年1月，Bell实验室正式成

3、立半导体研究,晶体管的三位发明人：巴丁、肖克莱、布拉顿,晶体管的三位发明人：巴丁、肖克莱、布拉顿,晶体管的三位发明人：巴丁、肖克莱、布拉顿,第一个点接触式的NPN Ge晶体管 (transistor),Bardeen, Brattain, and Schockley获1956年诺贝尔物理奖,晶体管的三位发明人：巴丁、肖克莱、布拉顿第一个点接触式的NP,VEC,+,-,基区n,集电区p,发射区p+,+,+,VEB,VCB,B,C,E,-,-,+,-,VEC,IE,IC,E,C,B,VEB,VBC,+,-,IB,理想p-n-p双极型晶体管,-n-p双极型晶体管,发射区,-,VCE,+,B,C,E,

4、VEB,VBC,+,+,n+,基区,p,集电区,n,IE,IC,VCE,+,-,E,C,B,+,-,IB,VBE,VCB,理想n-p-n双极型晶体管,n-p-n双极型晶体管,VEC+-基区n集电区p发射区p+VEBVCBBCE-,5.1.1 工作在放大模式,由邻近的射基极注射过来的电子可在反向偏压的集基极造成大电流，这就是晶体管的放大作用，而且，只有当此两结彼此足够接近时才会发生，此两结被称为交互 p-n结,5.1.1 工作在放大模式 由邻,双极集成电路中元件的形成过程和元件结构,B E C典型数字集成电路中NPN晶体管剖面图,p+,p+,n+,n-,p,n+,n+,p-,SiO2,Burie

5、d Layer,Metal,pn-Isolation,pn-Isolation,双极集成电路中元件的形成过程和元件结构,集电结外延，发射结离子注入,集电结外延，发射结离子注入,5.1.2 电流增益,IE,IC,发射区（p+）,基区（n）,集电区（p）,IEP,ICP,IEn,IBB,ICn,IB,空穴电流和穴电流,电子电流,电子流,5.1.2 电流增益IEIC发射区（p+）基区（n）集电区（,IE=IEP+IEn IC=ICP+IcnIB=IE-IC=IEn+（IEP-ICP）-ICn,共基电流增益,发射效率,IE=IEP+IEn IC=ICP+Icn共基,基区输运系数,综上：,所以,基区输运

6、系数综上：所以,5.2 双极型晶体管的静态特性,五点假设：晶体管各区域浓度为均匀掺杂；基区中的空穴漂移电流和集基极反向饱和 电流可以忽略；载流子注入属于小注入；耗尽区无产生-复合电流；晶体管中无串联电阻。,5.2 双极型晶体管的静态特性五点假设：,各区域少数载流子分布,p-n-p,发射区p+,基区n,集电区p,nEO,nE(x),-xE,0,W,XC,QB,Pn(x),Pn(0),nco,nc(x),Pno,QB,各区域少数载流子分布p-n-p发射区p+基区n集电区pnEO,基极区域发射极和集电极,c,基极区域c,发射极电流,发射极电流,集电极电流,集电极电流,基极电流,基极电流,结极性与少数

7、载流子分布,E,B,C,nP,pn,nP,0,W,放大,E,B,C,nP,0,W,Pn,nP,饱和,E,B,C,0,W,np,Pn,np,截止,E,B,C,nP,0,W,pn,np,反转,结极性与少数载流子分布EBCnPpnnP0W放大EBCnP0,工作模式,放大模式 射基结正，集基结反饱和模式 两结都正向偏压截止模式 两结都反向偏压反转模式 射基结反，集基结正,工作模式放大模式 射基结正，集基结反,各模式下的一般表示式,各模式下的一般表示式,共基组态输出I-V特性,p+,n,p,E,IE,+,-,B,IB,VEB,+,-,VCB,E B C,IC,P-n-p共基组态,C,饱和,截止,ICBO

8、,放大,IE =6mA,BVCBO,输出电流电压特性,共基组态输出I-V特性p+npEIE +-BIBVEB+-V,共射组态,共射组态,共射组态输出电流-电压特性,B,E,-,+,VEB,IB,P,n,P,C,B,E,IE,IC,C,E,VBE,饱和,VCB=0,IB=25uA,截止,BVCEO,ICEO,I,V,共射组态输出电流-电压特性BE-+VEBIBPnPCBEIE,厄雷效应,VA,IB,IC,VCE,厄雷电压,又称为基区宽度调制效应,厄雷效应VA IBICVCE厄雷电压又称为基区宽度调制效应,5.3 频率响应与开关特性,高频等效电路,5.3 频率响应与开关特性高频等效电路,截止频率,

9、共基电流增益,共射电流增益,特征频率,截止频率共基电流增益共射电流增益特征频率,IP=qv（x）p（x）A,IP=qv（x）p（x）A,开关暂态过程,VEB,VS,t,0,RS,VEB,IE,IB,IC,RL,VCC,-,+,P,n,P+,晶体管开关电路,开关暂态过程VEBVSt0RSVEBIEIBICRLVCC-,IB,0,t2,QB（t2）,QS,O t1 ta t2t3,t,IC,IC（t1）,0,t1,ta,t2,t3,ts,基区,Pn（x）,t2,ta,t1，t3,QS,t=0,0,w,IB0t2QB（t2）QSO t1 ta t2t3tICI,5.4 异质结双极型晶体管,异质结双极

10、型晶体管是指晶体管中的一或两个结由不同半导体材料组成，主要优点是发射效率高，具有较高的速度, (NE/NB)exp( Eg/kT),5.4 异质结双极型晶体管 异质结双极型晶体管是指晶体,5.5 可控硅器件,P1,n1,P2,n2,J1,J2,J3,a,X=0,X=w,b,5.5 可控硅器件P1n1P2n2J1J2J3aX=0X=w,J1，J2，J3三个p-n结与接触电极相连的最外层p层称阳极，另一边n层称为阴极。这个没有额外电极的结构是个两端点的器件，被称为p-n-p-n二极管，若另一个称为栅极的电极被连到内层的p层，所构成的三端点器件一般称为半导体控制整流器,可控硅器件,J1，J2，J3三

11、个p-n结与接触电极相连的最外层p层称阳极,电流电压特性,VBR,反向阻断,正向导通,VBF,VAX,1,Ih,IS,Vh,3,2,正向阻断,4,5,电流电压特性VBR 反向阻断正向导通VBFVAX1IhISV,双晶体管示意图,p1,n1,p2,C,n1,p2,n2,IB1=IC2,IC1=IB2,E,B,C,B,E,+,-,R,双晶体管示意图p1n1p2Cn1p2n2IB1=IC2IC1,双向可控硅器件,双向可控硅器件是一种在正或负阳极电压下都可开或关的器件，双向p-n-p-n二极管双向交流开关,一双向三端点的可控硅器件称为三极交流开关,双向可控硅器件双向可控硅器件是一种在正或负阳极电压下都可开或,可控硅器件形式,传统可控硅器件非对称可控硅器件栅极关闭可控硅器件光感应可控硅器件,可控硅器件形式传统可控硅器件,可控硅器件应用,HVDC马达驱动电源供应SMPS高频功率转换照明超声波发生器,可控硅器件应用HVDC,